Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Современное состояние физики полупроводниковых низкоразмерных электронных систем характеризуется уникальным сочетанием фундаментальных научных исследований в области теории и научного эксперимента, новых технологий для создания различных полупроводниковых гетероструктур с точностью, сравнимой с атомными размерами и непосредственным применением таких структур в разнообразных функциональных устройствах и приборах современной микро- и наноэлектроники.
Исследования в области физики низкоразмерных систем обеспечили существенные достижения в решении важнейшей проблемы физики твердого тела и физики полупроводников, а именно: создание веществ с заданными физическими свойствами.
Возможность управления зонной структурой полупроводника посредством изменения геометрических размеров образца в одном, двух и трех направлениях - явление размерного квантования - предоставляет широкие возможности для создания систем с физическими характеристиками, отсутствующими у массивных образцов одних и тех же полупроводниковых веществ. Сочетание размерного квантования со внешними факторами воздействия на систему, в первую очередь, внешнего магнитного поля и обусловленного им магнитного квантования, позволяет управлять самой размерностью системы в процессе функционирования данной наноструктуры.
Исследования свойств двумерных (2D) электронных систем вскоре привели к открытию новых физических особенностей этих систем, таких как ступенчатый характер коэффициента оптического поглощения, сильный экситонный резонанс, наблюдаемый даже при комнатных температурах, большая оптическая нелинейность, квантово-размерный эффект Штарка [1].
Эти открытия привели к созданию различных новых оптических приборов: лазеров на квантовых ямах, высокоскоростных оптических модуляторов, оптических переключателей, оптических бистабильных приборов и т.д. [2,3].
Сегодня можно констатировать, что лазеры и модуляторы на квантовых ямах стали наиболее удобными и широко применяемыми приборами в оптических системах передачи и хранения информации.
После теоретических работ [4] и [5] были развернуты интенсивные теоретические и экспериментальные исследования одномерных (ID) электронных систем. Созданные на основе полупроводниковых гетероструктур с ID электронным газом различные приборы многими показателями превосходят свои 20-аналоги [6].
Интенсивные исследования систем с трехмерным квантованием-квантовых точек, были развернуты после открытия явления самоорганизации в полупроводниковых системах [6]. Были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам [6]. Уже созданы инжекционные лазеры на квантовых точках, которые демонстрируют низкие значения пороговой плотности тока и рекордную температурную стабильность при низких температурах [7].
В настоящее время, после трех десятилетий исследования двумерных электронных систем, мы входим в мир одно- и нульмерной физики и приборов.
1. Теоретическое исследование зонной структуры полупроводниковой проволоки круглого сечения с покрытием из полупроводника с большей, чем у вещества проволоки шириной запрещенной зоны, в рамках модели ступенчатой бесконечно глубокой потенциальной ямы-СБЯ.
-
Изучение примесных состояний в полупроводниковой проволоке с покрытием как при отсутствии, так и при наличии магнитного поля, направленного вдоль оси проволоки.
-
Изучение поглощения монохроматического излучения в размерно квантованной полупроводниковой проволоке с покрытием, с учетом сложной зонной структуры ее валентной зоны.
-
Исследование электрон-фононного рассеяния в квантовых проволоках с произвольной формой поперечного сечения при взаимодействии электронов с деформационными, пьезоэлектрическими акустическими и полярными оптическими объемными фононами.
-
Представлена новая теоретическая модель для описания кванто-вомеханических состояний носителей заряда в СБЯ. Выявлена зависимость квантовых уровней энергии от характеристик системы: радиуса проволоки, толщины покрывающего слоя, концентрации сплава, значений эффективных масс носителей заряда, а также от величины направленного вдоль оси проволоки магнитного поля. Найдены аналитические выражения для волновых функций носителей.
-
Впервые решена задача об определении энергии связи примесного центра в рамках модели СБЯ. Получено общее аналитическое выражение для энергии связи, учитывающее как наличие пространственной ограниченности системы, так и ее диэлектрическую неоднородность. Задача решена также при наличии магнитного поля, направленного вдоль оси системы. Выявлено существенное влияние диэлектрической постоянной окружающей проволоку с покрытием среды на энергию связи примесного центра.
-
Проведен расчет энергетических подзон валентной зоны предложенной модельной системы. В рамках метода эффективного гамильтониана Кейна записана система диффернциальных уравнений для компонент волновых функций. Выведены законы дисперсии для легких
и тяжелых дырок, с учетом различия эффективных масс в проволоке и в покрытии, и явные аналитические выражения для компонент волновых функций.
-
Впервые исследовано оптическое поглощение в проволоке с покрытием с учетом конкретной зонной структуры как зоны проводимости, так и валентной зоны. Найдено аналитическое выражение для коэффициента поглощения для межзонных разрешенных переходов и на его основе идентифицированы оптические переходы между различными энергетическими состояниями. Обнаружены межзонные оптические переходы, запрещенные в случае проволоки без покрытия в неограниченной среде. Показано, что поглощение в проволоке с покрытием существенно зависит от поляризации падающего на систему излучения, что указывает на сильное перемешивание состояний валентной зоны.
-
Развита теория для мощности энергетических потерь электрона и темпа релаксации электронной температуры в квантовой проволоке произвольного сечения при рассеянии электронов на деформационных, пьезоэлектрических акустических и полярных оптических фононах. Исследована зависимость мощности энергетических потерь в цилиндрической проволоке круглого сечения и в проволоке с ограничивающими параболическими потенциалами в магнитном поле, перпендикулярном оси проволоки, от параметров задачи.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные в диссертации теоретические результаты представляют самостоятельный интерес с точки зрения теории низкоразмерных полупроводниковых систем. Они могут быть использованы для трактовки имеющихся экспериментальных данных и постановки новых экспериментов, направленных на углубление представлений о физических свойствах низкоразмерных систем. Некоторые из полученных результатов могут служить физической основой конструирования новых функциональных элементов и приборов твердотельной электроники на базе низкоразмерных полупроводниковых
структур, а также могут быть использованы при улучшении характеристик уже действующих приборов.